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Bioimmagini

PRF= Pulse Repetition Frequency-Frequenza con cui viene ripetuto l’ilmpulso

PRP=Pulse Repetition Period- tempo che intercorre tra l’inizio del periodo e l’inizio del periodo

successivo

le relazioni che intercorrono tra i due sono

il tempo di emissione si chiama on time ed è circa l’1% del PRP. la d (max) ci dive la massima

prfondità di scansione che è inversamente proporzionale al PRF.

La PRF è correlata alla frequenza di campionamento dal teorema di Nyquist che si basa nella

relazione:

Color Doppler

Il color doppler unisce al calcolo della velocità del flusso sanguigno una codifica di colore in base

alla direzione di propagazione degli ultra suoni.

il color doppler codifica nel seguente modo:

blu- con flusso concorde alla direzione di propagazione degli us

rosso- flusso discorde

il modulo della velocità nell’immagine viene rappresentato dalla intensità del colore, cioè più è

intenso il colore, più gli eritrociti sono veloci in quella fascia di colore.

Il fenomeno dell’aliasing. supponiamo di aver preso valori di PRF troppo basso, allora la

massima velocità che riusciamo a misurare diminuisce, se ci fossero dei glubuli rossi con velocità

maggiore ricorriamo al fenomeno dell’aliasing. Fenomeno per cui, quando ho una frequenza di

campionamento troppo bassa una parte dello spettro, che sta fuori falla fd/2, rientra dall’altra parte

dello spettro; cioè se la velocità è troppo elevata essa verrebbe rimappata a ricominciare dal blu.

Power Doppler

in questo caso si pone l’accento non sulla velocità degli eritrociti ma dal loro numero. Questa

tecnica è meno sensibile al rumore sovrapposto.

La codifica Power è indipendente dalla velocità MA é DIPENDENTE solo dal numero dei globuli

rossi (è indipendente anche dall’angolo di insonazione θ, a patto che sia diverso da 90°).

il colore della codifica Power può essre qualsiasi a patto che sia diverso dal blu e dal rosso. Nella

codifica anche in questo caso vediamo il colore più chiaro e maggiore è il numero di eritrociti, non

possiamo però vedere la direzione.

Mezzi di contrasto

Ha il compito di generare un contrasto dove normalmente non c’è. Negli US hanno il compito di

evidenziare la vascolarità. Se normalmente in BMode il vaso è nero con il mezzo di contrasto si

colora di bianco.

I mezzi di contrasto ad US è un preparato liquido (sospensione di soluzione fisiologica) iniettato nei

vaso che non diffonde nel tessuto

Ha una impedenza acustica molto diversa da quella dei tessuti il che genera un eco molto

intenso.

Questi mezzi di contrasto hanno un nucleo centrale che è pieno di gas SF6 . All’esterno di questa

microbolla c’è una catena lipidica, ci sono tante micromolecole di lipidi tutti attorno che chiudono il

guscio e danno ad esso una resistenza meccanica che garantisce una vita della molecola adeguata

per l’esame. Poi vengono espulse tramite la respirazione. L’interno gassoso serve per conferire alla

bolla una impedenza acustica diversa da quella dei tessuti. Il principale svantaggio dei mezzi di

contrasto è la creazione di artefatti.

Fondamenti di radiologia

La forma di energia utilizzata sono i raggi X che sono delle radiazioni ionizzanti.

le leggi che regolano i raggi X sono molto simili alle leggi degli US tranne che i RX si propagano

anche nel vuoto. Lo studio dei RX può essere fatto a partire dal dualismo onda-particella, e la legge

di Heinstein ci dice che ogni fenomeno propagativo di una qualunque particella ditata di massa

trasporta energia.

Differenze tra US e RX

RX: hanno una massa, una sua velocità di propagazione C=3,4x109 , propagazione

nel vuoto, propagazione in qualsiasi mezzo, no riflessione, non ha carica

US: necessita di una continuità del mezzo di propagazione, riflessione tutte le volte

che il mezzo è discontinuo, assenza di propagazione nel vuoto, velocità di propagazione che varia a

seconda del mezzo.

Il fenomeno che si utilizza è quello dell’assorbimento: si va a vedere dove i raggi X vengono

stoppati dalla materia.

Radiazione ionizzante: radiazione con la capacità di rompere i legami atomici e molecolari della

materia.

Raggi X molli: radiazioni non in grado di attraversare i tessuti umani, hanno una frequenza tale per

cui quando arrivano sui tessuti percorrono pochissimo spazio e poi vengono attenuati. Vengono

considerati inutili per fare radiografie. Se veniamo colpiti da un raggio X molle, tutta l’energia la

assorbiamo.

Raggi X per diagnostica: una volta arrivati sul tessuto, quest’ultimo, in qualche modo riemette

l’energia nella lastra.

Raggi X per radioterapia: passano attraverso i tessuti cedendo energia a tutti i tessuti che

attraversano i quali tendono a dissiparla sotto forma di calore.

L’energia è direttamente proporzionale alla frequenza.

RAGGI X

Tubo a RX

Il catodo è la parte che emette gli elettroni, l’anodo è la

parte che viene bombardata. C’è una ampolla di vetro attorno al meccanismo sulla quale viene

creato il vuoto spinto. L’emissione dei RX si effettua tramite bombardamento elettronico.

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Generazione raggi x: il filamento viene alimentato da una corrente elettrica, il riscaldamento dl

filamento produce una emissione di elettroni direttamente proporzionale alla corrente di

alimentazione del filamento. Questi elettroni hanno una equa probabilità spaziale di emissione per

cui vengono indirizzati da una coppa focalizzatrice, la quale li indirizza all’anodo. Il fascio di

elettroni nello spazio tra anodo e catodo viene accelerato tramite una differenza di potenziale (dai

15kV ai 400kV). L’interazione tra anodo ed elettroni crea un surriscaldamento dello stesso, per cui

si applica un rotore all’anodo in grado di farlo ruotare cambiando il punto di collisione. L’anodo

(solitamente in tungsteno-reniato o di molibdeno per la mammografia) è inclinato, di solito 30°, per

consentire l’irraggiamento del paziente attraverso una apposita finestra (l’inclinazione dell’anodo

incide sulla dissipazione ma anche sulla qualità dell’immagine).

il tubo a raggi x ha la distanza catodo-anodo, la tensione applicata e la corrente sono dimensionati

in modo tale da massimizzare la probabilità che un elettrone incidente sull’anodo generi energia a

raggi x.

La maggior parte della banda viene data dall’interazione a emissione frenante (pochi fotoni ma su

una gamma di energie elevate), in seconda parte c’è la emissione caratteristica (molto fotoni ma a

basse energie).

per l’anodo si utilizzano materiali tipi il tungsteno e il molibdeno. Il molibdeno viene utilizzato per

la mammografia.

Radiologia tradizionale.

I raggi x sono radiazioni fuori dalla banda del visibile.

Hanno il vantaggio di penetrare i tessiti umani, ma essendo invisibili all’occhio umano ci sono dei

sali che se colpiti dai raggi x interagiscono emanando radiazioni sotto forma del visibile

(fluorescenza). Hanno anche una importante azione chimico fisica cioè possono modificare la

chimica o i legami all’interno dei tessuti (utilizzato per la radioterapia).

L’immagine che noi vediamo è nient’altro che una rappresentazione visiva dei coefficienti

di attenuazione μ. Il coefficiente di attenuazione dipende dal tipo di materiale (aumenta

all’aumentare del numero atomico del materiale), dell’energia incidente, della temperatura.

Il coefficiente di attenuazione viene usato nella legge di lambert-beer

che esprime il numero di fotoni uscenti da un oggetto di spessore x e coefficiente

di attenuazione μ che si trova nella direzione del fascio incidente.

Essendo x lo spessore del tessuto μ è l’inverso della lunghezza cm-1

Valore dimezzante μx=0.692 emergono solo la metà dei fotoni

Valore decimante μx=2.3 emergono solo 1/10 dei fotoni incidenti.

Il coefficiente di attenuazione diminuisce quasi come un esponenziale all’aumentare dell’energia,

esso dunque non dipende solo dalla densità ma anche da altri fattori.

Pilotaggio di un tubo a raggi x

Si divide un due parti: parte superiore

che è responsabile della generazione della tensione nel tubo ossia della differenza di potenziale tra

catodo e anodo, é una tensione continua. E costituita da:

rettificatore a ponte responsabile della conversione della corrente alternata in continua, influisce

sull’energia e sulla frequenza; all’aumentare della tensione aumenta la frequenza dei raggi x emessi.

Tutti i tubi funzionano con una gamma di tensioni (che sono sulla manopola) e non puoi lavorare ad

altre tensioni se non quelle.

Selettore di voltaggio: mi permette di selezionare la tensione applicata al tubo e da quella tensione

so quanto saranno energetici i fotoni emessi.

Milliamperometro: il tubo a raggi x ha una resistenza di carico quindi usiamo un milliamperometro

per assicurarci che il tubo non sia guasto, infatti essendo che il tubo segue la legge di ohm , se

aumentiamo la tensione di alimentazione e leggiamo una corrente troppo elevata, vorrà dire che la

resistenza del tubo è diminuita quindi l’anodo cola per dissipazione termica.

La parte inferiore invece ha il compito di fornire corrente al filamento di tungsteno. essa è

divisa in:

Controllo della temperatura: in quanto il numero degli elettroni emessi è direttamente proporzionale

alla temperatura.

Alimentazione del filamento: il filamento lo vedo come una resistenza quindi tanto più aumento la

corrente tanto più abbasso la temperatura. Questa corrente deve essere controllata e quindi uso un

Modulo di controllo corrente: funziona come il selettore di voltaggio solo che la corrente influisce

sulla qualità dei fotoni x emessi, quindi sull’intensità dell’immagine.

Compensatore: è un dispositivo tampone che mette in comunicazione i due rami e ha il compito di

assicurarsi che una volta impostata la macchina il valore della tensione di alimentazione e della

corrente del filamento rimangano stabili (costanti) per tutta la durata dell’esame (perchè la tensione

agisce sull’energia)

grandezze e regolazioni: posso modificare la tensione da applicare al tubo e di conseguenza la

potenza emessa e il tempo di esposizione (dose).

Esistono anche delle funzioni dell’apparecchio radiologico che consentono la terminazione

dell’esposizione automatica (AET), e una esposizione programmabile APR che ci evita di dover

regolare la dose, la velocità di somministrazione e il dover stabilizzare corrente e tensioni emesse.

Norma: RX

è una normativa relativa a specifiche condizioni di utilizzo. lo scopo è la protezione del paziente

(non garantiscono la protezione del medico o dell’operatore) dagli apparecchi radiologici e dalle sue

conseguenze (le tensioni sono da 10kV a 400kV includendo quindi i dispositivi per diagnostica).

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interrutore uomo morto: rende possibile la chiusura del contatto solamete mediante pressione

continua

filtrazione propria: filtrazione del fascio x introdotta dagli elementi non trasportabili del dispositivo

(come la guaina), introducono attenuazione.

fascio utile: tutta la radiazione prodotte da un tubo radiogeno che arriva al paziente

radiazione residua: radiazione che esce dall’oggetto sul percorso del fascio utile

radiazione di fuga: tutta quella che fuoriesce dalla guaina (da minimizzare).

esposizione: carica elettrica nell’aria

dose assorbita: energia trasferita alla materia

strato emivalente: spessore di un dato materiale necessario per dimezzare l’intensità di esposizione

equivalente di dose: esprime il rischio di effetti nocivi

Dose personale: vincola quale è la massima potenza da erogare in relazione al tempo di esposizione

(10-2

sievert)

Tubo radiogeno: deve essere circondato da una guaina protettiva schermante inamovibile di

apertura sufficiente del solo fascio utile.

Rivelatori e ricettori

Per la visione delle immagini radiologiche si necessita di qualcosa che intercetti i raggi x all’uscita

e che li converta nella banda del visibile. Per questo utilizziamo dei rivelatori; ne esistono di tre tipi:

Pellicole radiografiche, amplificatori di brillanza e dispositivi per radiografia digitale (CR e DR).

Le pellicole radiografiche sono costituite da tre strati di materiale dove quello centrale è un

foglio di poliestere mentre i due strati esterni sono emulsioni di bromuro di argento AgBr che da

origine ad un reticolo cristallino scintillatorio, dove i fotoni incidenti impressionano la lastra di nero

fissando il sale sul foglio di poliestere i grani che non vengono attivati vengono rimossi. La

pellicola è soggetta a degrado in quanto è una informazione analogica, è molto costosa e non

consente un buon livello di contrasto perchè ha sempre un sottofondo di grigio. Essa è soggetta a

sovraesposizione o sottoesposizione come si nota dalla curva sensitometrica della lasta che è lineare

per un certo tratto. L’efficienza delle pellicole è silo il 5% se metto un intensificatore

l’efficienza aumenta ma diminuisce il potere risolutivo.

La Radiografia digitale CR e DR.

Vantaggi: non serve lo sviluppo, trasportabilità, meno problemi di errori, nessun degrado e facilità

di copia.

CR computed radiography - fosfori fotoeccitabili

è un tipo di conversione indiretta in quanto abbiamo banda x-banda visibile- immagine

Funzionamento: c’è un pannello di fosfori fotostimolabili che quando colpiti da un fotone a raggi x

scintillano e creano un fotone nel visibile che rimanendo intrappolati nel reticolo del fosforo forano

una immagine latente letta poi da uno scanner laser. L’immagine si forma perchè questi fosfori

generano un numero di fotoni visibili proporzionale all’energia di banda x che gli cade sopra.

DR digital radiography - cristalli scintillatori di CsI

è un tipo di converione diretta energia in banda x convertita direttamente in banda elettrica per

l’immagine.

Funzionamento: si prende un pannello di silicio e lo si droga con delle impurità di CsI. Quando i

fotoni colpiscono il pannello interagiscono con i cristalli e gli rilasciano quasi tutta la loro energia,

gli elettrodi posti al di sotto del pannello con un sottilissimo strato di alluminio posto sopra, creano

dei condensatori e quindi delle diverse concentrazioni di energia, il laser legge la capacità “di

questa matrice di condensatori” generando un immagine tanto più precisa quanto più piccole sono

le superfici dei condensatori. Ha un limite perchè più piccoli sono gli elettrodi minore è la carica

che riescono ad accumulare quindi c’è meno contrasto.

Amplificatori di brillanza converte i fotoni in elettroni ma ha una conversione indiretta però in

tempo reale.

Funzionamento: sulla faccia di ingresso della ampolla di vetro, con all’interno il vuoto spinto che

costituisce l’amplificatore, si trova uno schermo ricoperto di CsI che quando colpito intrappolano

l’energia dei fotoni x riemettendola sotto forma di fotoni visibili che vanno a colpire uno schermo

posto posteriormente (fotocatodo) formato da placchette metalliche che convertono i fotoni visibili

in cariche elettriche che disegnano l’immagine su un display. All’uscita dell’amplificatore

l’immagine può essere subito vista da uno schermo e anche registrata su hardisk tramite un

convertitore analogico digitale.

L’amplificatore di brillanza è un componente del Videoradiografo.

NON è un amplificatore di energia a amplifica il

numero di elettroni circa 2000 fotoni nel visibile per ogni fotone x.

Mammografia

La mammografia è un esame radiografo tradizionale solo che l’anodo è in molibdeno anzichè essere

in tungsteno. Il molibdeno è un materiale che genera raggi x a basse frequenze; è proprio alle basse

frequenze dei raggi x che il coefficiente di attenuazione del canciroma è maggiore rispetto a quello

tissutale. Ciò ci consente di visualizzarlo tramite una radiografia.

Si utilizzano le basse energie proprio perchè ad alte energie i

coefficienti di attenuazione si sovrappongono per cui non si distinguono i tessuti dal canciroma. Il

mammografo non supera mai i 50keV.

La mammella viene compressa perchè è un volume pseudosferico, quindi ha i tessuti sovrapposti. Si

prendono due immagini (di solito) della mammella una cranio caudale e una mediolaterale obliqua.

il compressore deve essere trasparente al visibile. La mammografia ha una produzione di immagine

eccellente.

NORMA Mammografia

tubo radiogeno: deve essere bloccato e non si deve muovere senza l’intervento dell’operatore, in

caso di interruzione non deve comprimere per più +-20N.

dispositivi di compressione: tutti gli interruttori che regolano il movimento di compressione devono

essere tali da necessitare una forza continua da parte dell’operatore

Forza di compressione: deve avvenire attraverso dei controlli che devono essere da entrambi i lati

della paziente

Schermatura protettiva primaria deve estendersi fino al supporto della paziente almeno fino al

torace per impedire la retroirradiazione. Il dispositivo per mammografia ha bassissime soglie di

dose.

Prove di qualità

Prove di accetazione prove iniziali

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Prove di costanza prove di verifica (con i mezzi e materiali utilizzati nelle prove di accettazione)

Prove di status si fanno quando nel dispositivo avviene una sostituzione

Prove di costanza per apparecchi radiologici per mammografia

servono per garantire le prestazioni del dispositivo, la qualità dell’esame e la minimizzazione dei

costi di esercizio.

Ispezione visiva: accertarsi della presenza di tutti i componenti del dispositivo

Densità dell’immagine: misura la densità ottica dell’immagine prodotta in condizioni specifiche, è

un parametro che mi dice quanto una immagine è otticamente densa, non deve scostarsi per più del

20% del valore iniziale.

Presenza di artefatti: si fa una radiografia a vuoto e la griglia antidiffusione non si deve notare.

Risoluzione ad alto contrasto: serve per valutare la distribuzione spaziale dell’immagine. La

risoluzione non deve essere decresciuta per di più di 2 coppie di linee al millimetro.

Fascio di irradiazione: ha il compito di valutare variazioni del fascio di irradiazione nella parete di

campo prossima al torace.

Compressore: serve per valutare che la forza di compressione non sia pericolosa per la paziente. La

forza non deve variare per più di 10N.

Contatto schermi di rinforzo-pellicola

FLOW CHART DELLE PROVE

Angiografia a sottrazione digitale (DSA)

il letto vascolare in radiografia è invisibile perchè il coefficiente di attenuazione del sangue è

prossimo a quello degli atomi dei tessuti molli. Per poterlo visualizzare occorre somministrare un

mezzo di contrasto iniettato per via venosa, che sia radiopaco.

Strumenti necessari per la angiografia:

angiografo a sottrazione digitale

pacchetto SW per fare la sottrazione

Passi fondamentali:1 radiografia del distretto corporeo,2 iniezione del mezzo di contrasto,3

radiografia col mezzo di contrasto,4 sottrazione della seconda dalla prima.

Aspetti matematici

prima dell’iniezione

dopo l’iniezione

differenza , .

La sottrazione da due immagini però ha il problema che ci possono essere degli artefatti da

movimento dato che la seconda immagine non è mai uguale alla prima. Per ovviare a questo

problema (o minimizzare l’artefatto da movimento) si è incorporato all’angiografo un

elettrocardiogramma che funziona da trigger facendo scattare le due immagini nello stesso punto

del ciclo cardiaco.

Limiti: risoluzione spaziale non elevatissima 2cl/mm per motivi di sottrazione, scarso campo utile

di ripresa, tempo di elaborazione offline, necessità di software apposito

Vantaggi: riduzione dose raggi x al paziente, iniezione endovenosa e non locale, elevata sensibilità,

riduzione rischio, riduzione costo esame.

TC

Il problema era risolvere l’equazione di Lambert-Beer quando il coefficiente μ non era costante ma

variabile , come nel corpo umano, in quanto non era solo il valore di μ a variare ma la N diventava

anche essa una variabile N(x). Si è giunti dunque al campionamento angolare dell’immagine. Ciò

permetteva la risoluzione dell’incognita N(x).

Si eseguivano varie proiezioni dell’immagine con diverse angolature, in questo modo

ottengo una visione 3D dell’oggetto (retroproiezione filtrata). Retroproiezione sta ad indicare che il

dispositivo raccoglie le immagini e le mette tutte assieme, filtrata nel senso che il software elimina

l’aspetto quadrato dell’immagine e ne ricava uno anatomico.

Il tomografo è un dispositivo che mi consente di ottenere una immagine 2D a partire da una

serie di proiezioni diverse, quindi diverse angolazioni, dello stesso oggetto.

Vantaggi: visualizzazione 3D, risoluzione di contrasto migliore rispetto ad una radiografia normale,

possibilità di calcoli di volume

Limiti: risoluzione spaziale minore rispetto alla radiografia digitale, rumore introdotto dai filtri,

aumento della dose al paziente perchè aumentano il numero delle proiezioni.

Per determinare il coefficiente di attenuazione in un oggetto omogeneo con μ costante allora uso la

seguente:

se μ non è costante ma dipende dalla profondità uso la seguente:

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invertendo la relazione si ottiene

Schema a blocchi ti un TC

Il sistema parte sempre da un tubo a raggi x, che per poter

eseguire la retroproiezione filtrata necessita del movimento di rotazione attorno al paziente. Davanti

alla sorgente è posto un collimatore che esclude i fotoni uscenti dal tubo che non hanno direzione

perpendicolare ad esso, viene anche posto dopo il paziente, è necessario perchè il fotone, entrando

in contatto col paziente può essere deflesso (il che può dare informazioni sbagliate sull’immagine).

I collimatori sono dunque uno di mira e uno di filtro. Il dispositivo TC non è un dispositivo a tempo

reale.

Nell’esame TC si eseguono circa 30-40 matrici slice, ogni matrice è una fetta del paziente (0,5 10

mm) la risoluzione è 256x256 o 512x512 pixel.

Scanner prima generazione

Lunghi tempi di acquisizione dovuti al movimento di rototraslazione della

sorgente coi rivelatori. Durata esame circa 10 min.

Scanner seconda generazione

Il fascio è collimato verso i rivelatori ma anche in questo modi c’è un movimento

di rototraslazione.

Scanner terza generazione

I rivelatori (posti a ventaglio fan-beam) si muovono assieme alla sorgente, in

questo modo si annulla il moto di traslazione e si riducono i tempi di esame (dell’ordine del

secondo a scansione).

Scanner Quarta generazione

I rivelatori, 4800 circa, formano un anello completo attorno al paziente, in questo

modo il solo elemento in movimento è la sorgente. In questo modo i tempi di scansione scendono

sotto il secondo. La quarta generazione è la base della spiral TC.

Questo tipo di scannerè nato dalla tecnologia slip-ring che permette l’alimentazione del tubo anche

quando è in movimento e gli conferisce potenza continua.

Blocchi di un sistema TC

Sistema di scansione:Insieme di sorgenti e rivelatori che servono per proiettare l’oggetto da angoli

differenti

Unità di elaborazione: deve elaborare i dati che la sorgente gli da

Sistema di visualizzazione dell’immagine: schermo in bianco e nero dive si possono calcolare

parametri statistici sull’immagine.

Unità di immagazzinamento dati: servono per creare un archivio

Spiral TC

Basata sulla tecnologia slipring, il tubo radiogeno è sempre in rotazione e il

paziente viene inserito o estratto con continuità. In questo modo non c’è il movimento stop and

shoot. Con questa tecnico posso avere delle immagini TOTAL-BODY del corpo umano.

il nemico numero uno è l’artefatto da movimento e i sensori sono dei pannelli di silicio drogato con

metallizzazioni sopra e sotto, convergono l’energia in carica che viene letta per l’effetto capacitivo

in stile radiografia digitale.

Nella tomografia a fascio elettronico EBT si elimina l’ultimo movimento essendo il fascio di fotoni

collimato secondo le angolazioni che necessitiamo, in questo modo non c’è nessuna parte in

movimento.

Sensori TC allo stato solido

Si prendeva un cubetto a cristallo scintillatore (colpito dalla radiazione il cristallo scintilla) che

generalmente non è un sale ma una ceramica opportuna con impurità di atomi specifici. Il fotone,

colpendo la ceramica, scarica tutta la sua energia su di essa che viene prodotta sotto forma di

visibile. Questi fotoni visibili vengono convogliati in un amplificatore di brillanza che poi viene

convertita in elettroni per generare l’immagine. L’efficienza di questi sensori é del 50%.

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Sensori TC allo stato gassoso

Viene riempito l’interno di xenon. Essenzialmente si ha

che la parete funziona da catodo e l’interno da anodo. In questo modo il fotone quando colpisce il

rivelatore ho che il gas all’interno si carica a seconda dell’energia del fotone, successivamente

questa carica viene letta. E’ una conversione di tipo diretta.

Risoluzione spaziale: in mammografia si ha che abbiamo 20cl/mm, in radiografia planare circa

7cl/mm mentre nella TC ho 1cl/mm.

Contrasto: il contrasto nella TC e molto maggiore rispetto a quello di una radiografia tradizionale, si

può avere una variazione del contrasto per valori dello 0,5% mentre per la radiografia planare si ha

il 5%.

Medicina Nucleare

E’ un tipo di esame che sfrutta il fenomeno dell’emissione. A differenza dei raggi x, e quindi della

tomografia coputerizzata, la sorgente di energia è all’interno del corpo. Si utilizzano sostanze

radioattive selezionate di volta in volta a seconda del distretto da analizzare o dei processi che si è

interessati studiare, poichè queste sostanze hanno la capacità di legarsi a determinati tessuti del

corpo e non ad altri, inoltre, si sfrutta di queste sostanze il fenomeno del decadimento radioattivo

per l’imaging. Questo tipo di esame, vista la scarsità della risoluzione dovuta alla presenza di

collimatori e di una radiazione isotropica difficile da intercettare (banda gamma), è di tipo

funzionale.

Ci sono due tecniche di scansione la PET e la SPECT.

I farmaci utilizzati emettono nel loro decadimento una forma di energia con la frequenza gamma

che è molto più energetica delle x, quindi il coefficiente di attenuazione del tessuto corporeo è

inferiore rispetto a quello dei raggi x. Ci interessa sapere la posizione degli atomi “sorgente” nel

paziente.

La durata dell’esame è in funzione del tempo di decadimento del farmaco, mentre i fotoni in banda

x si misurano tramite misurazioni di integrali su un arco di tempo, per la medicina nucleare si può

procedere al conteggio dei singoli fotoni ed è per questo che sono immagini prettamente funzionali.

Imaging funzionale

Gli isotopi radioattivi usati sono vari. Si differenziano perchè hanno tempi di decadimento diversi e

reagiscono all’interno del corpo umano in maniera diversa.

Si ha una efficienza di rivelazione bassissima perchè l’emanazione di raggi del radioisotopo

è isotropica, ed è per questo motivo che non riusciamo ad ottenere immagini morfologiche, si

aggiunge poi la presenza dei collimatori che diminuiscono ancora di più il numero di fotoni che

vengono rivelati dal rivelatore. Hanno un grande pregio e cioè posso investigare un distretto

particolare senza che le sue funzioni siano alterate in quando l’organismo non riconosce che quella

determinata sostanza è radiattiva.

Abbiamo detto che il fenomeno che ci interessa osservare è il decadimento del radioisotopo, il suo

decadimento è un evento spontaneo e casuale, infatti non tutti gli atomi decadono allo stesso

momento. Il decadimento viene studiato tramite la legge di Piosson che è: dove il

termine all’esponente è il coefficiente di decadimento del radionuclide.

Un altro importante parametro è quello dell’emivita, cioè metà tempo di

decadimento: .

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Decadimento alfa (uso in terapia)

tali particelle sono pappe molli, non attraversano il tessuto umano per questo

vengono utilizzate solo per terapia e non per imaging.

Decadimento beta (meno)

le particelle beta meno non escono dal corpo perchè hanno bassissima

energia 511keV.

Decadimento beta più utilizzato nella PET

il beta più si annichila dopo pochissimo. Avviene quando la differenza

di energia è di 1022keV.

Cattura di un ellettrone orbitale utilizzato nella SPECT

Un elettrone viene catturato dagli orbitali esterni con la conseguenza che un

protone si trasforma in un neutrone + un neutrino. riequilibrio dei livelli elettronici causa

l’emissione di un fotone gamma. Ogni atomo che decade nella SPECT emette un singolo fotone.

Quindi il numero di fotoni che abbiamo in un esame è proporzionale, solo, al numero di atomi

radioattivi che somministro al paziente.

I radiofarmaci

Sono i farmaci che utilizziamo per un esame di medicina nucleare. Servono per trovare la posizione

della sorgente dei raggi gamma.

A seconda dell’esame da farsi utilizzerò diverse bande per la SPECT utilizzo fotoni da 80 a

300keV, mentre per la PET utilizzo fotoni a 511keV.

Il problema nasce nella rivelazione di questi raggi gamma,

Rivelatori e ricettori

Rivelatori a semiconduttore:

Sono costituiti da molecole di SiO2 o di Ge. Sono dei resistori di resistenza variabile, quando viene

colpito da un fotone gamma esso cede energia e diminuisce la resistenza imposta dal materiale.

Rivelatori a gas: sono simili a quelli per TC (con una efficienza del 50%) solo che per i raggi

gamma hanno efficienza più bassa.

Scintillatori inorganici: sono dei sali che hanno la capacità di scintillare nel visibile quando

vengono colpiti da un fotone gamma. I sali utilizzati hanno un elevato numero atomico che

consente una elevata interazione con i fotoni gamma incidenti; il numero dei fotoni del visibile è

proporzionale al numero di fotoni gamma che colpiscono il cristallo.

Il cristallo più utilizzato p il NaI con impurità di Tl. Questo ha un vantaggio: si ha una buona

efficienza di rivelazione (circa il 13%), si generano 20-30 fotoni visibili ogni keV di fotone.

La GAMMA-CAMERA

Riprende una scena, simile a una telecamera. Essendo

i fotoni gamma delle radiazioni isotropiche, la gamma camera, grazie ad un collimatore a fori

paralleli, ammette solo i fotoni che vanno verso di essa e scarta gli altri. Sopra il collimatore vi è

una finestra di vetro con al di sopra i sali di NaI. Al di sopra del cristallo vi sono solo radiazioni

sotto forma di visibile; queste radiazioni sono convogliate tramite una guida ottica col nome di

fotomoltiplicatore che porta i fotoni nell’area addetta al calcolo della posizione dei punti. nel

fotomoltiplicatore gli elettroni prodotti dal fotocatodo vengono via via accelerati e moltiplicati dai

dinodi. Tutta l’energia del fotone viene convertita in elettroni che vengono accelerati e moltiplicati

da un insieme di placchette fatte a parabola

dinodi. Si ha una amplificazione totale di 106.

Il collimatore divergente viene utilizzato quando il radiofarmaco è presente nel paziente in ampie

zone, mentre quello convergente serve quando il radiofarmaco è in zone molto piccole del nostro

organismo quindi ci serve uno “zoom”. Si tenta sempre di minimizzare la distanza tra paziente e

collimatore favorendo così la risoluzione spaziale a spese del numero di fotoni che attraversa il

collimatore.

Aritmetica di posizionamento

Le parti tondeggianti rappresentano i tubi

fotomoltiplicatori, la posizione a nido d’ape garantisce la minim distanza possibile tra i TF. Ciascun

tubo viene diviso in quattro parti tramite quattro cavi nelle direzioni principali. a ogni cavo collego

una resistenza di peso che ha valore diverso a seconda della posizione del TF. Scelgo le resistenze

in modo tale che ogni tubo sia univocamente determinato quindi considero il sistema di riferimento

al centro, e a seconda di quanto mi sposto nelle 4 direzioni principali avrò valori di resistenza

proporzionali a questo spostamento. Se mi sposto verso il centro il valore della resistenza

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diminuisce, se mi sposto verso l’esterno aumenta. Nei della linea centrale si nota che variano solo i

valori di resistenza in direzione x- e x+, metre per il verticale non variano. Quelli superiori il centro

non è più zero ma vale 20, siccome dalla linea centrale, per mantenere la configurazione esagonale,

posiziono i TF inferiori e superiori a metà tra quelli della linea centrale; ecco perchè nelle

direziuoni x+ e x- avrò valori rispettivamente 10 all’interno e 30 all’esterno. Questo viene fatto per

capire quanto dista la direzione rispetto al centro di riferimento.

Alla fine della gammacamera avrò 4 uscite una relativa ad ogni asse. La somma pesata di

tutte le resistenze in un asse fratto la somma totale ci da la coordinata X di impatto del fotone.

con

NOTA BENE: X+, X-, Y+ e Y- vanno intese come sommatorie.

Il peso è direttamente proporzionale alla posizione del tubo fotomoltiplicatore sul piano del

cristallo.

Sappiamo che ad ogni radiofarmaco si sa esattamente quale è la energia dei fotoni gamma

che mi aspetto poichè conosco il suo meccanismo di decadimento. Per questo motivo esiste il filtro

Z, che effettua una discriminazione sull’energia dei fotoni. Possono arrivare alla gammacamera dei

fotoni che prima erano diffusi e che poi interagendo con la materia sono stati deflessi, questo tipo di

fotoni nella deflessione colpiscono la gammacamera con una energia più bassa (o più alta quando

due fotoni arrivano nello stesso punto), questo tipo di fotoni non serve per l’esame che si sta

svolgendo, quindi vengono scartati da questo filtro. Il filtro Z cancella i fotoni troppo poco

energetici e quelli troppo energetici. Inoltre consente di ripulire l’immagine. In alcuni casi,

somministrando due radiofarmaci diversi al paziente che emettono fotoni ad energia diversa, posso

distinguerli tutti e due creando contemporaneamente due immagini.

Schema a blocchi di utilizzo di gammacamera

Funzionamento: per ogni fotone vengono generate

le uscite X e Y di impatto del fotone; per cui se prendo le coordinate e le invio ad un dispositivo di

visualizzazione, piano piano creo una immagine. Se connetto le tre uscite ad un A/D riesco a

manovrarle tramite un apposito SW.

Grazie all’aritmetica di posizionamento riesco a calcolare l’energia totale del fotone.

Tomografia computerizzata ad emissione ECT

La differenza dalla TC normale è che, invece di essere ad assorbimento, è una tomografia ad

emissione. Esistono due tipi di esame la PET e la SPECT. Si differenziano nel radiofarmaco

utilizzato; nella SPECT utilizzo un radiofarmaco che emette solo un fotone in banda gamma,

mentre nella PET uso un radiofarmaco che emette una energia precisa 511keV e ha una direzione

casuale ma verso opposto. Queste due tecniche ricostruiscono la distribuzione spaziale nel corpo del

paziente del radiofarmaco.

SPECT (tomografia computerizzata ad emissione di un singolo fotone)

Questo tipo di esame è caratterizzato perchè vi è un solo fotone emesso dal radiofarmaco. I

radiofarmaci utilizzati hanno una energia inferiore ai 300 keV, quindi minore della PET che è 511

keV, ma hanno una emivita di circa 6 ore; questo è un grosso vantaggio perchè questo tipo di

radiofarmaci non necessita la produzione in loco, infatti vengono portati ogni mattina in ospedale da

un corriere apposito.

Funzionamento: è posizionata una o più gammacamera in grado di ruotare

attorno al paziente, in modo tale da prendere da varie angolazioni informazioni riguardanti la

posizione dell’atomo nel paziente; essendo che davanti alla gammacamera è posizionato un

collimatore.

Posso pensare al sistema delle linee di scansione (vedi disegno appunti) dove prese varie

immagini da diverse angolature ho che il punto di intersezione delle linee di scansione per quel

determinato atomo del radiofarmaco indicano esattamente la posizione di esso, in parole povere

l’intersezione delle direzione mi da la posizione; ricostruisco così la posizone volumetrica del

radiofarmaco unendo tutte le posizioni. Nell’esame SPECT, proprio per quest’ultimo motivo, è

necessaria la presenza di un collimatore, altrimenti non saremo in grado di sapere la posizione del

radiofarmaco in quanto come detto all’inizio sono degli atomi isotropici.

Esattamente la grandezza dell’immagine SPECT è esattamente quella del collimatore che può avere

i fori più o meno piccoli e più o meno vicini, tutto a discapito della risoluzione. Chiaramente

maggiore è il numero di scansioni maggiore sarà la risoluzione dell’immagine, ma per poter

ottenere più immagini si necessita un tempo di scansione più lungo con il rischio che il

radiofarmaco decada prima che finisca l’esame. Poi si può aggiugere l’artefatto da movimento,

proprio perchè i tempi di scansione si sono allungati quindi è più probabile che il paziete si sia

mosso durante l’esame.

CARATTERISTICHE ESAME SPECT:

-tipicamente sono 64 proiezioni angolari con campionamento angolare di 5,6°

-matrice di uscita piccola 128X128 pixel

-dimensione del pixel 3,2 mm (ogni punto sull’immagine corrisponde ad un quadrato pari a 3,2 mm

di lato)

-dimensione delle sezioni 3,2 mm (il pixel è un quadrato di 3,2 mm se aggiungo lo spessore ottengo

un cubo di lato 3,2 mm

-i collimatori utilizzati sono a fori paralleli

-regola pratica, per ottenere con una SPECT la stessa precisione di rappresentazione di un

immagine planare, servono un numero di fotoni 5 volte maggiore

-si evita al massimo il problema delle strutture interposte, cioè di percepire male le distribuzioni 3D.

La risoluzione dell’immagine dipende dal numero di proiezioni angolari effettuate,dalla

distanza della sorgente dal collimatore, dalle dimensioni del collimatore, dalla grandezza dei fori

del collimatore, dalla distanza dei fori del collimatore. Se la sorgente è vicina si ha una buona

risoluzione, viceversa se è lontana.

Il dispositivo SPECT è un parente del dispositivo TC di quarta generazione, ma essendo il profilo

del paziente ellittico si ha che la gammacamera è montata su un “binario” di forma ellittica in modo

tale da poter essere sempre il più vicini al paziente per poter avere una risoluzione migliore.

Questo tipo di dispositivo ha una bassa risoluzione ed un costo elevatissimo circa 400.000€.

Ci sono due metodi di rivelazione la stop and shoot e la continous rotation (immagine averaged).

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PET (tomografia ad emissione di positroni)

E’ un tipo di esame che utilizza radiofarmaci che emettono positroni cioè elettroni con carica

positiva. Il problema è che l’emissione radioattiva di questi elementi (la loro emivita) è molto

piccola quindi hanno bisogno di una produzione del radiofarmaco in loco proprio per questo

problema. I radiofarmaci emettono dei fotoni a 511 keV con stessa direzione ma versi opposti.

Quando abbiamo un positrone che si annichila esso produce due fotoni

con energia 511 keV uno in direzione opposta all’altra. Se io ho un segnale in un determinato punto,

so che questi fotoni si muovono lungo una retta; se riesco ad intercettarle entrambe so dalla

matematica che passa una e una sola retta, pertanto riesco a ricostruire tale linea senza il bisogno di

muovere la gammacamera, devo solo prendere i due fotoni nella stessa direzione.

Si usa per questo la collimazione elettronica.

Rivelatore di coincidenze

Immaginiamo che il positrone, che non sta perfettamente a metà, emetta

nella sua fase di annichilamento due fotoni. Uso allora un rivelatore di coincidenze il quale calcola

la differenza temporale di impatto del fotone sul pannello di sx e dx. Per ricostruire l’immagine ho

bisogno di intercettare i due fotoni, devo però essere sicuro che entrambi i fotoni derivino dalla

stessa posizione. Io so l’istante i cui avviene l’impatto e se la differenza di impatto è compresa tra

4-6 nanosecondi i due fotoni si dicono “gemelli”. L’asse di propagazione non è perfettamente di

180° ma si discosta di 4-5°. Non si può calcolare l’esatta posizione del radiofarmaco ma si può

calcolare l’evento probabilistico dell’evento, tramite le linee di scansione.

Ci sono infatti degli errori nella rivelazione dei fotoni.

coincidenza rivelata in corrispondenza di due fotoni gamma emessi da un singolo

evento di decadimento. Vedo che i due impatti arrivano al tempo corretto e li classifico come fotoni

gemelli.

Può capitare che un fotone venga deflesso ma arrivi nel tempo giusto quindi il

calcolatore delle linee di coincidenza calcola male la linea dell’evento (parte tratteggiata)

Ho due radionuclidi in due posizioni che emettono contemporaneamente, ho quindi 4

fotoni che arrivano sui rivelatori e vengono accoppiati in modo casuale. Può succedere che venga

ricostruita una linea che non passi per nessuno dei due radionuclidi.

LIMITI

-Limitato numero di positroni emessi

-Disassamento nella traiettoria

-Il vantaggio è che in SPECT abbiamo fotoni con energia inferiore ai 300 keV quindi si ha una

efficienza più elevata perchè il coefficiente di assorbimento della radiazione è maggiore a energie

basse.

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Nei dispositivi PET si sono introdotti dei cristalli di BaF2 che funzionano come quelli tradizionali

ma hanno una costante di decadimento molto piccola, inferiore al nano secondo, cioè convertono in

meno di un nanosecondo l’energia in banda gamma, sono sensori velocissimi. In questo modo

posso avere precisione sul calcolo dei tempi di volo.

Confronto SPECT-PET

Nella PET la risoluzione è fissa (5mm), mentre nella SPECT ho una risoluzione migliore perchè

posso modularla con il collimatore, modalità di acquisizione.

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